定義：紅外光學(xué)原理的氣體傳感器是一種基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強(qiáng)度關(guān)系（朗伯-比爾Lambert-Beer定律）鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感裝置。

原理：由不同原子構(gòu)成的分子會(huì)有獨(dú)特的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，當(dāng)其受到相同頻率的紅外線照射時(shí)，就會(huì)發(fā)生紅外吸收，從而引起紅外光強(qiáng)的變化，通過(guò)測(cè)量紅外線強(qiáng)度的變化就可以測(cè)得氣體濃度。

需要說(shuō)明的是，振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)是兩種不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，這兩種運(yùn)動(dòng)形態(tài)會(huì)對(duì)應(yīng)不同的紅外吸收峰，振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)本身也有多樣性，因此一般情況下一種氣體分子會(huì)有多個(gè)紅外吸收峰。

根據(jù)單一的紅外吸收峰位置只能判定氣體分子中有什么基團(tuán)，精確判定氣體種類(lèi)需要看氣體在中紅外區(qū)所有的吸收峰位置即氣體的紅外吸收指紋。

在已知環(huán)境條件下，根據(jù)單一紅外吸收峰的位置可以大致判定氣體的種類(lèi)。由于在零下273攝氏度即絕對(duì)零度以上的一切物質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生紅外幅射，紅外幅射與溫度正相關(guān)，因此，同催化元件一樣，為消除環(huán)境溫度變化引起的紅外幅射的變化，紅外氣體傳感器中會(huì)由一對(duì)紅外探測(cè)器構(gòu)成。

一個(gè)完整的紅外氣體傳感器由紅外光源、光學(xué)腔體、紅外探測(cè)器和信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成。

紅外吸收原理只能測(cè)不同原子構(gòu)成的分子。由于同一分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的多樣性使其具有多種不同的振動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，因此，對(duì)紅外吸收的分子會(huì)有不同個(gè)吸收峰。另外，具有相同化學(xué)鍵的分子（如水和酒精分子中的氫氧鍵）會(huì)有相近的吸收峰，干擾由此產(chǎn)生。

為什么紅外氣體傳感器不能測(cè)量氧氣、氫氣、氮?dú)獾扔上嗤訕?gòu)成的氣體分子？

舉例： 月亮和地球、地球和太陽(yáng)靠萬(wàn)有引力連接，分子內(nèi)部原子間靠化學(xué)鍵連接。如果二者是理想球體而且沒(méi)有其它萬(wàn)有引力干擾則地球軌道將是圓的，實(shí)際上上面兩個(gè)條件都不成立，因此其軌道是橢圓的，也就是地球和太陽(yáng)之間的距離不停地在短半徑和長(zhǎng)半徑之間轉(zhuǎn)換，即振動(dòng)，只是振動(dòng)周期長(zhǎng)達(dá)一年，在這個(gè)過(guò)程中，地球處于短半徑點(diǎn)和長(zhǎng)半徑點(diǎn)時(shí)，它和太陽(yáng)之間的引力是不同的，即能量級(jí)別不同。

同理，在分子內(nèi)部原子間靠化學(xué)鍵連接，原子間的空間距離、角度、方向由于電子分布的不均衡而不停發(fā)生變化，即振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，而且不同的分子會(huì)有獨(dú)特的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，當(dāng)遇到相同頻率的紅外線照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧振、原子間距離和電子分布發(fā)生變化即偶極距發(fā)生變化，紅外吸收就是這樣產(chǎn)生的（紫外吸收同理）。

以上內(nèi)容中包含紅外吸收的兩個(gè)基本條件：諧振、偶極距變化，這兩個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足才能產(chǎn)生紅外吸收。

氧氣、氫氣、氮?dú)獾扔赏环N原子構(gòu)成的分子為什么沒(méi)有紅外吸收峰？?jī)蓚€(gè)基本條件：一是氣體分子振動(dòng)頻率與照射的紅外線頻率相同，二是偶極距變化。不難理解，第一個(gè)條件容易滿(mǎn)足，第二個(gè)條件無(wú)可能性。

相同原子構(gòu)成的分子正負(fù)電荷中心完全重疊，即偶極距為零，其結(jié)果是電子在分子中的分布是均衡的，以紅外光本身的低能量密度特征，其照射不會(huì)改變這種均衡，更不可能使分子電離，即不會(huì)導(dǎo)致能量變化。而不同原子構(gòu)成的分子：以水（蒸氣）分子為例，分子中電子的分布偏向氧這端，即微觀上水分子中氫那一端呈正電性，氧那一端呈負(fù)電性，正負(fù)電荷中心是不重疊的，即偶極矩不為零，這是因?yàn)檠跷娮拥哪芰Ρ葰鋸?qiáng)的緣故。

在與水分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相同的紅外線照射時(shí)，會(huì)使電子在水分子中的分布更偏向氧一端，導(dǎo)致氫和氧的平均距離變短，即偶極距變短，能量變高，即水分子受到紅外照射時(shí)會(huì)從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，紅外吸收就是這樣產(chǎn)生的。

可以簡(jiǎn)單理解：紅外線與相同原子組成的分子相遇時(shí)，由于相同原子組成的分子是理想的彈性球體，兩者的相互作用是完全彈性碰撞，只有能量交換，沒(méi)有能量轉(zhuǎn)移。不同原子組成的分子與紅外線相互作用則有能量轉(zhuǎn)移。因此，紅外吸收原理不能測(cè)相同原子構(gòu)成的分子。

非色散紅外吸收氣體傳感器

非色散：白光通過(guò)三棱鏡會(huì)被分為七色光即赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，這個(gè)三棱鏡就是一個(gè)分光系統(tǒng)，能把七色光分開(kāi)。

有分光系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)即色散型光學(xué)系統(tǒng)，無(wú)分光系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)即非色散性。

非色散系統(tǒng)簡(jiǎn)易、可靠、小巧、廉價(jià)。平時(shí)我們感受到的白光、紫外、紅外光都是不同頻率、波長(zhǎng)混合成的光，而單頻率、單波長(zhǎng)的光即單色光。

前面講到只有紅外線的頻率和氣體分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相同時(shí)才會(huì)產(chǎn)生紅外吸收，理論上在設(shè)計(jì)氣體傳感器時(shí)，我們希望用單色光去照射氣體或者照射后我們用設(shè)置光柵（濾光片）的辦法獲得單色光。

非色散紅外氣體傳感器通常由光源、光學(xué)腔體、濾光片（光柵）、探測(cè)器和信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成，在傳感器中濾光片和探測(cè)器是一體的。

紅外氣體傳感器優(yōu)點(diǎn)：

1、除了相同原子組成的氣體，所有氣體都可以測(cè)。

2、全量程。

3、傳感過(guò)程本身不會(huì)干擾傳感。

紅外氣體傳感器缺點(diǎn)：

1、昂貴。紅外氣體傳感器本質(zhì)上是紅外幅射導(dǎo)致探測(cè)器溫度變化進(jìn)而是電性能變化的溫度傳感器，傳感過(guò)程復(fù)雜。

要求系統(tǒng)有如下特征：

光源必須有穩(wěn)定的紅外幅射；光學(xué)腔體物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；濾光片及紅外探測(cè)器穩(wěn)定。

這些問(wèn)題，合理的工藝技術(shù)本身能較好的解決，但是制造成本高，導(dǎo)致價(jià)格昂貴。

2、選擇性弱。在普通的以寬頻紅外光源加濾光片加探測(cè)器設(shè)計(jì)中，濾光片本身不能實(shí)現(xiàn)理想的選擇性濾光，因此干擾尤其是水的干擾一直存在。

選擇性的問(wèn)題深層原因在于很多不同的氣體分子會(huì)有相同的化學(xué)鍵，即有相近甚至重疊的紅外吸收。

3、粉塵、背景幅射、強(qiáng)吸附及氣、液、固易發(fā)生轉(zhuǎn)換的檢測(cè)對(duì)象都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響。

常識(shí)補(bǔ)充：

近紅外波長(zhǎng)：0.7um~2.0um；

中紅外波長(zhǎng)：2.0um~15um。

氣體吸收峰：每一種氣體的吸收峰不止一個(gè)，如：甲烷在近紅外1.3um，1.65um；中紅外2.6um、3.31um，3.43um，6.5um等處都有吸收峰。

激光光源：最接近單色光的光源。

我們大概容易想到，同一氣體分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)的多樣性導(dǎo)致其有多個(gè)吸收峰；含有相同化學(xué)鍵的分子會(huì)有相近的吸收峰。因此紅外傳感器的技術(shù)發(fā)展路徑很清楚，單色光源、集成化、微型化、低功耗。

目前最大的問(wèn)題：近紅外區(qū)只有個(gè)別波長(zhǎng)有較廉價(jià)的激光器做單色光，而且在近紅外區(qū)氣體吸收較弱。在氣體對(duì)紅外的強(qiáng)吸收區(qū)中紅外區(qū)，激光器制造工藝復(fù)雜，激光材料、理論及器件未有商業(yè)價(jià)值突破，導(dǎo)致中紅外激光器極昂貴，這嚴(yán)重限制了紅外氣體傳感器在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。

在常見(jiàn)的氣體中目前二氧化碳是紅外原理最強(qiáng)的應(yīng)用，也是基于節(jié)能的最具商業(yè)前景的應(yīng)用，其次是甲烷。

紅外氣體傳感器與其它類(lèi)別氣體傳感器如半導(dǎo)體式、電化學(xué)式、催化燃燒式等相比具有應(yīng)用廣泛、使用壽命長(zhǎng)、靈敏度高、穩(wěn)定性好、適合氣體多、性?xún)r(jià)比高等一系列優(yōu)點(diǎn)。其廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金工業(yè)、工礦開(kāi)采、大氣污染檢測(cè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。